(57)【要約】【課題】高感度高Ｓ／Ｎ比を維持したままで広ダイナミックレンジ化できる固体撮像装置、ラインセンサおよび光センサと、高感度高Ｓ／Ｎ比を維持したままで広ダイナミックレンジ化するための固体撮像装置の動作方法を提供する。【解決手段】光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタまたはオーバーフローゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する少なくとも第１および第２の複数の蓄積容量素子と、を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された構成とする。【選択図】        図１
2006245522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する複数の蓄積容量素子と、
を備えた光センサ。
【請求項２】
光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する複数の蓄積容量素子と、
を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された固体撮像装置。
【請求項３】
光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を順次蓄積する第１および第２の蓄積容量素子を少なくとも含む複数の蓄積容量素子からなる蓄積容量素子群と、
を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された固体撮像装置。
【請求項４】
光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送ゲートと、
前記転送ゲートに接続された第１の蓄積ゲートと、
前記転送ゲートおよび前記第１の蓄積ゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する第１の蓄積容量素子と、
前記第１の蓄積容量素子に第２の蓄積ゲートを介して接続される第２の蓄積容量素子とを有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された固体撮像装置。
【請求項５】
前記複数の蓄積容量素子は互いに蓄積ゲート手段を介して接続されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記画素は、前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域をさらに有する、請求項２、３または５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記画素は、前記転送ゲートを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域をさらに有する、請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第２の蓄積容量素子は、前記第１の蓄積容量素子よりも大きな容量を有する、請求項３または４に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記複数の蓄積容量素子はすべて同じ容量を有する、請求項２〜７のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記フローティング領域または前記第１および第２の蓄積容量素子の少なくとも１つに接続され前記第１および第２の蓄積容量素子および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、
前記フローティング領域の信号電荷、または前記フローティング領域と前記第１および第２の蓄積容量素子の少なくとも一方との信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタに接続され前記画素を選択するための選択トランジスタと、
をさらに有する請求項６または７に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記フローティング領域、前記第１の蓄積容量素子、および前記第２の蓄積容量素子の１つまたは複数から得られた電圧信号と、
前記フローティング領域に前記フォトダイオードからの前記光電荷を転送するとともに前記第１の蓄積ゲートおよび前記第２の蓄積ゲートのうちの少なくとも１つをオンとして、前記フローティング領域、前記第１の蓄積容量素子、および前記第２の蓄積容量素子の１つまたは複数に転送された光電荷から得られた電圧信号と、の差分を取るノイズキャンセル手段を、さらに有する請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域と、前記転送トランジスタに接続される第１の蓄積トランジスタと、蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を前記転送トランジスタおよび前記第１の蓄積トランジスタを通じて蓄積する第１の蓄積容量素子と、前記第１の蓄積容量素子からあふれる光電荷を転送する第２の蓄積トランジスタと、前記第１の蓄積容量素子からあふれる光電荷を前記第２の蓄積トランジスタを通じて蓄積する第２の蓄積容量素子と、を少なくとも有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された固体撮像装置。
【請求項１３】
請求項１２の固体撮像装置の動作方法であって、
電荷蓄積前において、前記第１および第２の蓄積トランジスタをオンとして、前記フローティング領域および前記第１および第２の蓄積容量素子内の光電荷を排出する工程と、
前記フォトダイオードで発生する光電荷のうち飽和前電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記フォトダイオードからあふれる過飽和電荷を前記フローティング領域および前記第１の蓄積容量素子において蓄積する工程と、
前記第１の蓄積トランジスタをオフとして、前記フローティング領域内の光電荷を排出する工程と、
前記転送トランジスタをオンとして前記飽和前電荷を前記フローティング領域に転送し、前記飽和前電荷の電圧信号を示す飽和前信号を読み出す工程と、
前記第１の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれる前記過飽和電荷との和の電圧信号を示す第１の過飽和信号を読み出す工程と、
前記第２の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれる前記過飽和電荷と前記第１の蓄積容量素子からあふれる過飽和電荷との和の電圧信号を示す第２の過飽和信号を読み出す工程と、
を有する固体撮像装置の動作方法。
【請求項１４】
前記飽和前信号と、前記第１の過飽和信号と、前記第２の過飽和信号との少なくともいずれか一つを所定の基準電圧との比較によって選択する出力信号選択工程をさらに有する請求項１３に記載の固体撮像装置の動作方法。
【請求項１５】
前記出力信号選択工程は、前記飽和前信号が第１の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第１の過飽和信号を選択し、前記第１の過飽和信号が第２の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第２の過飽和信号を選択する、請求項１４に記載の固体撮像装置の動作方法。
【請求項１６】
光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記フォトダイオードに接続されるオーバーフローゲートと、
前記オーバーフローゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する複数の蓄積容量素子と、
を備えた光センサ。
【請求項１７】
光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記フォトダイオードに接続されるオーバーフローゲートと、
前記オーバーフローゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する複数の蓄積容量素子と、
を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された固体撮像装置。
【請求項１８】
光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記フォトダイオードに接続されるオーバーフローゲートと、
前記オーバーフローゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を順次蓄積する第１および第２の蓄積容量素子を少なくとも含む複数の蓄積容量素子からなる蓄積容量素子群と、
を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された固体撮像装置。
【請求項１９】
光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送ゲートと、
前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、
前記オーバーフローゲートに接続された第１の蓄積ゲートと、
前記オーバーフローゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する第１の蓄積容量素子と、
前記第１の蓄積容量素子に接続される第２の蓄積ゲートと、
前記第１の蓄積容量素子に前記第２の蓄積ゲートを介して接続される第２の蓄積容量素子とを有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された固体撮像装置。
【請求項２０】
前記オーバーフローゲートはＭＯＳ型トランジスタまたは接合型トランジスタからなる請求項１７，１８または１９に記載の固体撮像装置。
【請求項２１】
前記複数の蓄積容量素子は互いに蓄積トランジスタを介して接続されていることを特徴とする、請求項１７または１８に記載の固体撮像装置。
【請求項２２】
前記画素は、前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域をさらに有する、請求項１７，１８または２１に記載の固体撮像装置。
【請求項２３】
前記画素は、前記転送ゲートを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域をさらに有する、請求項１９に記載の固体撮像装置。
【請求項２４】
前記第２の蓄積容量素子は、前記第１の蓄積容量素子よりも大きな容量を有する、請求項１８または１９に記載の固体撮像装置。
【請求項２５】
前記複数の蓄積容量素子はすべて同じ容量を有する、請求項１７〜２３のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
【請求項２６】
前記フローティング領域または前記第１および第２の蓄積容量素子の少なくとも１つに接続され前記第１および第２の蓄積容量素子および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、
前記フローティング領域の信号電荷、または前記フローティング領域と前記第１および第２の蓄積容量素子の少なくとも一方との信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタに接続され前記画素を選択するための選択トランジスタと、
をさらに有する請求項２２また２３に記載の固体撮像装置。
【請求項２７】
光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域と、前記フォトダイオードに接続されるオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を前記オーバーフローゲートを通じて蓄積する第１の蓄積容量素子と、前記第１の蓄積容量素子からあふれる光電荷を転送する第１の蓄積トランジスタと、前記第１の蓄積容量素子からあふれる光電荷を前記第１の蓄積トランジスタを通じて蓄積する第２の蓄積容量素子と、前記フローティング領域と前記第１の蓄積容量素子の間に接続された第２の蓄積トランジスタと、を少なくとも有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された固体撮像装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の固体撮像装置の動作方法であって、
電荷蓄積前において、前記第１の蓄積トランジスタおよび前記第２の蓄積トランジスタをオンとして、前記フローティング領域および前記第１および第２の蓄積容量素子内の光電荷を排出する工程と、
前記フォトダイオードで発生する光電荷のうち飽和前電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記フォトダイオードからあふれる過飽和電荷を前記オーバーフローゲートを介して前記第１の蓄積容量素子において蓄積する工程と、
前記転送トランジスタをオンとして前記飽和前電荷を前記フローティング領域に転送し、前記飽和前電荷の電圧信号を示す飽和前信号を読み出す工程と、
前記第２の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれた前記過飽和電荷との和の電圧信号を示す第１の過飽和信号を読み出す工程と、
前記第１の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれた前記過飽和電荷と前記第１の蓄積容量素子からあふれた過飽和電荷との和の電圧信号を示す第２の過飽和信号を読み出す工程と、
を有する固体撮像装置の動作方法。
【請求項２９】
前記飽和前信号と、前記第１の過飽和信号と、前記第２の過飽和信号との少なくともいずれか一つを所定の基準電圧との比較によって選択する出力信号選択工程をさらに有する請求項２８に記載の固体撮像装置の動作方法。
【請求項３０】
前記出力信号選択工程は、前記飽和前信号が第１の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第１の過飽和信号を選択し、前記第１の過飽和信号が第２の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第２の過飽和信号を選択する、請求項２９に記載の固体撮像装置の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光センサ、固体撮像装置、および固体撮像装置の動作方法に関し、特にＣＭＯＳ型あるいはＣＣＤ型の二次元ないしは一次元固体撮像装置と当該固体撮像装置の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサあるいはＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサなどのイメージセンサは、その特性向上とともに、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話、スキャナなどの用途に幅広く使用されてきている。
【０００３】
上記のイメージセンサはさらなる特性向上が望まれており、そのひとつがダイナミックレンジ広くすることである。従来用いられているイメージセンサのダイナミックレンジは、例えば３〜４桁（６０〜８０ｄＢ）程度にとどまっており、肉眼や銀塩フィルムに匹敵する５〜６桁（１００〜１２０ｄＢ）以上のダイナミックレンジをもつ高画質イメージセンサの実現が望まれている。
【０００４】
上記のイメージセンサの画質特性を向上させる技術として、例えば非文献１などに、高感度および高Ｓ／Ｎ比化するために、各画素のフォトダイオードに隣接したフローティングディフュージョンで発生するノイズ信号と当該ノイズ信号に光信号が加算された信号とをそれぞれ読み出し、両者の差分をとることでノイズを抑圧する技術が開発されている。しかしこの方法でもダイナミックレンジは８０ｄＢ程度以下であり、これより広いダイナミックレンジ化をすることが望まれている。
【０００５】
例えば特許文献１には、図１９に示すように、フォトダイオードＰＤに高感度低照度側の小容量Ｃ１のフローティングディフュージョンと低感度高照度側の大容量Ｃ２のフローティングディフュージョンを接続して、低照度側の出力ＯＵＴ１と高照度側出力ＯＵＴ２をそれぞれ出力することで広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、図２０に示すように、フローティングディフュージョンＦＤの容量ＣＳを可変とした広ダイナミックレンジ化技術が開示されている。他には、短い露光時間による高照度側に対応した撮像と長い露光時間により低照度に対応した撮像の異なる２回以上の露光時間に分割する広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献３および非特許文献２には、図２１に示すように、フォトダイオードＰＤと容量Ｃの間にトランジスタスイッチＴを設け、１回目の露光期間でスイッチＴをオンして光信号電荷をフォトダイオードＰＤと容量Ｃの両方に蓄積し、２回目の露光時間でスイッチＴをオフして前者の蓄積電荷に加えてフォトダイオードＰＤで光電荷を蓄積することで広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。ここで、飽和を上回る光照射があった場合、過剰電荷はリセットトランジスタＲを介して排出されることがされている。
【０００８】
また、特許文献４には、図２２に示すように、フォトダイオードＰＤとして容量Ｃを従来よりも大きなものを使用することで高照度撮像に対応できるようにする技術が開示されている。
【０００９】
また、非特許文献３には、図２３に示すように、フォトダイオードＰＤからの光電流信号を、ＭＯＳトランジスタを組み合わせて構成されている対数変換回路により、対数変換
しながら蓄積および出力することで、広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１３４３９６号公報
【特許文献２】特開２０００−１６５７５４号公報
【特許文献３】特開２００２−７７７３７号公報
【特許文献４】特開平５−９０５５６号公報
【非特許文献１】S. Inoue et al., IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensor 2001, pp.16-19.
【非特許文献２】Y. Muramatsu et al., IEEE Journal of Sold-state Circuits, Vol.38, No.1, 2003.
【非特許文献３】映像情報メディア学会誌，Ｖｏｌ．５７，２００３．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の特許文献１、２、３および非特許文献２に記載の方法あるいは異なる２回以上の露光時間で撮像する方法では、低照度の撮像と高照度側の撮像を異なる時刻において行っているので、撮像時間にずれが生じ動画撮像の画質を損なうという問題がある。
【００１２】
また、上記の特許文献４および特許文献３に記載の方法では、高照度側の撮像に対応するようにして広ダイナミックレンジを達成できるものの、低照度側の撮像に関しては低感度、低Ｓ／Ｎ比となってしまい、画質を損なうという問題がある。
【００１３】
上記のように、ＣＭＯＳイメージセンサなどのイメージセンサにおいて、高感度、高Ｓ／Ｎ比を維持したままで広ダイナミックレンジ化を達成することが困難になっていた。また、上記のことは二次元アレイに画素を配置したイメージセンサに限ったことではなく、画素を一次元に配置したリニアセンサや複数の画素を持たない光センサでも同様であった。
【００１４】
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高感度、高Ｓ／Ｎ比を維持したままで広ダイナミックレンジ化できる固体撮像素子とその動作方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するため、本発明の光センサは、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する複数の蓄積容量素子と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する複数の蓄積容量素子と、を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されていることを特徴とする。
【００１７】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を順次蓄積する第１および第２の蓄積容量素子を少なくとも含む複数の蓄積容量素子からなる蓄積容量素子群と、を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されていることを特徴とする。
【００１８】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送ゲートと、前記転送ゲートに接続された第１の蓄積ゲートと、前記転送ゲートおよび前記第１の蓄積ゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する第１の蓄積容量素子と、前記第１の蓄積容量素子に第２の蓄積ゲートを介して接続される第２の蓄積容量素子とを有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されていることを特徴とする。
【００１９】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記複数の蓄積容量素子が互いに蓄積ゲート手段を介して接続されている。
【００２０】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記画素が、前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域をさらに有する。
【００２１】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記画素が、前記転送ゲートを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域をさらに有する。
【００２２】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記第２の蓄積容量素子が、前記第１の蓄積容量素子よりも大きな容量を有する。
【００２３】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記複数の蓄積容量素子がすべて同じ容量を有する。
【００２４】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記フローティング領域または前記第１および第２の蓄積容量素子の少なくとも１つに接続され前記第１および第２の蓄積容量素子および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、前記フローティング領域の信号電荷、または前記フローティング領域と前記第１および第２の蓄積容量素子の少なくとも一方との信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタに接続され前記画素を選択するための選択トランジスタと、をさらに有する。
【００２５】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記フローティング領域、前記第１の蓄積容量素子、および前記第２の蓄積容量素子の１つまたは複数から得られた電圧信号と、前記フローティング領域に前記フォトダイオードからの前記光電荷を転送するとともに前記第１の蓄積ゲートおよび前記第２の蓄積ゲートのうちの少なくとも１つをオンとして、前記フローティング領域、前記第１の蓄積容量素子、および前記第２の蓄積容量素子の１つまたは複数に転送された光電荷から得られた電圧信号と、の差分を取るノイズキャンセル手段を、さらに有する。
【００２６】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域と、前記転送トランジスタに接続される第１の蓄積トランジスタと、蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を前記転送トランジスタおよび前記第１の蓄積トランジスタを通じて蓄積する第１の蓄積容量素子と、前記第１の蓄積容量素子からあふれる光電荷を転送する第２の蓄積トランジスタと、前記第１の蓄積容量素子からあふれる光電荷を前記第２の蓄積トランジスタを通じて蓄積する第２の蓄積容量素子と、を少なくとも有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されていることを特徴とする。
【００２７】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の動作方法は、上記した固体撮像装置の動作方法であって、電荷蓄積前において、前記第１および第２の蓄積トランジスタをオンとして、前記フローティング領域および前記第１および第２の蓄積容量素子内の光電荷を排出する工程と、前記フォトダイオードで発生する光電荷のうち飽和前電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記フォトダイオードからあふれる過飽和電荷を前記フローティング領域および前記第１の蓄積容量素子において蓄積する工程と、前記第１の蓄積トランジスタをオフとして、前記フローティング領域内の光電荷を排出する工程と、前記転送トランジスタをオンとして前記飽和前電荷を前記フローティング領域に転送し、前記飽和前電荷の電圧信号を示す飽和前信号を読み出す工程と、前記第１の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれる前記過飽和電荷との和の電圧信号を示す第１の過飽和信号を読み出す工程と、前記第２の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれる前記過飽和電荷と前記第１の蓄積容量素子からあふれる過飽和電荷との和の電圧信号を示す第２の過飽和信号を読み出す工程と、を有することを特徴とする。
【００２８】
上記の本発明の固体撮像装置の動作方法は、好適には、前記飽和前信号と、前記第１の過飽和信号と、前記第２の過飽和信号との少なくともいずれか一つを所定の基準電圧との比較によって選択する出力信号選択工程をさらに有する。
【００２９】
上記の本発明の固体撮像装置の動作方法は、好適には、前記出力信号選択工程が、前記飽和前信号が第１の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第１の過飽和信号を選択し、前記第１の過飽和信号が第２の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第２の過飽和信号を選択する。
【００３０】
また、上記の目的を達成するため、本発明の光センサは、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記フォトダイオードに接続されるオーバーフローゲートと、前記オーバーフローゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する複数の蓄積容量素子と、を備えたことを特徴とする。
【００３１】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記フォトダイオードに接続されるオーバーフローゲートと、前記オーバーフローゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する複数の蓄積容量素子と、を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されたことを特徴とする。
【００３２】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記フォトダイオードに接続されるオーバーフローゲートと、前記オーバーフローゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を順次蓄積する第１および第２の蓄積容量素子を少なくとも含む複数の蓄積容量素子からなる蓄積容量素子群と、を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されたことを特徴とする。
【００３３】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送ゲートと、前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、前記オーバーフローゲートに接続された第１の蓄積ゲートと、前記オーバーフローゲートを介して蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する第１の蓄積容量素子と、前記第１の蓄積容量素子に接続される第２の蓄積ゲートと、前記第１の蓄積容量素子に前記第２の蓄積ゲートを介して接続される第２の蓄積容量素子とを有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されていることを特徴とする。
【００３４】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記オーバーフローゲートがＭＯＳ型トランジスタまたは接合型トランジスタからなる。
【００３５】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記複数の蓄積容量素子が互いに蓄積トランジスタを介して接続されている。
【００３６】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記画素が、前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域をさらに有する。
【００３７】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記画素が、前記転送ゲートを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域をさらに有する。
【００３８】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記第２の蓄積容量素子が、前記第１の蓄積容量素子よりも大きな容量を有する。
【００３９】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記複数の蓄積容量素子がすべて同じ容量を有する。
【００４０】
上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記フローティング領域または前記第１および第２の蓄積容量素子の少なくとも１つに接続され前記第１および第２の蓄積容量素子および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、前記フローティング領域の信号電荷、または前記フローティング領域と前記第１および第２の蓄積容量素子の少なくとも一方との信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタに接続され前記画素を選択するための選択トランジスタと、をさらに有する。
【００４１】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域と、前記フォトダイオードに接続されるオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を前記オーバーフローゲートを通じて蓄積する第１の蓄積容量素子と、前記第１の蓄積容量素子からあふれる光電荷を転送する第１の蓄積トランジスタと、前記第１の蓄積容量素子からあふれる光電荷を前記第１の蓄積トランジスタを通じて蓄積する第２の蓄積容量素子と、前記フローティング領域と前記第１の蓄積容量素子の間に接続された第２の蓄積トランジスタと、を少なくとも有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積されていることを特徴とする。
【００４２】
また、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の動作方法は、上記した固体撮像装置の動作方法であって、電荷蓄積前において、前記第１の蓄積トランジスタおよび前記第２の蓄積トランジスタをオンとして、前記フローティング領域および前記第１および第２の蓄積容量素子内の光電荷を排出する工程と、前記フォトダイオードで発生する光電荷のうち飽和前電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記フォトダイオードからあふれる過飽和電荷を前記オーバーフローゲートを介して前記第１の蓄積容量素子において蓄積する工程と、前記転送トランジスタをオンとして前記飽和前電荷を前記フローティング領域に転送し、前記飽和前電荷の電圧信号を示す飽和前信号を読み出す工程と、前記第２の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれた前記過飽和電荷との和の電圧信号を示す第１の過飽和信号を読み出す工程と、前記第１の蓄積トランジスタをオンとして、前記飽和前電荷と前記フォトダイオードからあふれた前記過飽和電荷と前記第１の蓄積容量素子からあふれた過飽和電荷との和の電圧信号を示す第２の過飽和信号を読み出す工程と、を有することを特徴とする。
【００４３】
上記の本発明の固体撮像装置の動作方法は、好適には、前記飽和前信号と、前記第１の過飽和信号と、前記第２の過飽和信号との少なくともいずれか一つを所定の基準電圧との比較によって選択する出力信号選択工程をさらに有する。
【００４４】
上記の本発明の固体撮像装置の動作方法は、好適には、前記出力信号選択工程が、前記飽和前信号が第１の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第１の過飽和信号を選択し、前記第１の過飽和信号が第２の基準電圧より大きい場合に出力信号として前記第２の過飽和信号を選択する。
【発明の効果】
【００４５】
本発明の固体撮像装置によれば、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードによる低照度撮像において高感度、高Ｓ／Ｎ比を維持し、さらに複数の蓄積容量にフォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積することで高照度における撮像を行って広ダイナミックレンジ化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下に本発明の固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４７】
第１実施形態
本実施例に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図を図１に、概略断面図を図２に、概略平面図を図３に示す。
【００４８】
各画素は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードＰＤ１と、フォトダイオードＰＤ１に隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタＴ２と、転送トランジスタＴ２を介してフォトダイオードＰＤ１に接続して設けられたフローティングディフュージョンＦＤ３と、露光蓄積動作時に前記フォトダイオードＰＤ１からあふれる光電荷を転送トランジスタＴ２を通じて蓄積する第１の蓄積容量ＣＳａ４および第２の蓄積容量ＣＳｂ５と、第１の蓄積容量ＣＳａ４に接続して形成され、第１の蓄積容量ＣＳａ４、第２の蓄積容量ＣＳｂ５およびフローティングディフュージョンＦＤ３内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタＲ６と、フローティングディフュージョンＦＤ３と第１の蓄積容量ＣＳａ４の間に設けられた第１の蓄積トランジスタＣａ７と、第１の蓄積容量ＣＳａ４と第２の蓄積容量ＣＳｂ５の間に設けられた第２の蓄積トランジスタＣｂ８と、フローティングディフュージョンＦＤ３の信号電荷またはフローティングディフュージョンＦＤ３と第１の蓄積容量ＣＳａ４の信号電荷またはフローティングディフュージョンＦＤ３と第１の蓄積容量ＣＳａ４と第２の蓄積容量ＣＳｂ５の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタＳＦ９と、増幅トランジスタに接続して設けられ前記画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタＸ１０とから構成されている。
【００４９】
本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素において、転送トランジスタＴ２、第１の蓄積トランジスタＣａ７、第２の蓄積トランジスタＣｂ８、リセットトランジスタＲ６のゲート電極に、φＴ１１、φＣａ１２、φＣｂ１３、φＲ１４の各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタＸ１０のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφＸ１５が接続され、さらに、選択トランジスタＸ１０の出力側ソースに出力ラインＯＵＴ１６が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。
【００５０】
図２において、例えば、ｎ型シリコン半導体基板（ｎ−ｓｕｂ）２０にｐ型ウェル（ｐ−ｗｅｌｌ）２１が形成されており、さらに、ｐ型ウェル２１に中にｎ型半導体領域２２が形成され、その表層にｐ＋型半導体領域２３が形成され、このｐｎ接合により電荷転送埋め込み型のフォトダイオードＰＤが構成されている。ｐｎ接合に適当なバイアスを印加して発生させた空乏層中に光ＬＴが入射すると、光電効果により光電荷が生じる。
【００５１】
ｎ型半導体領域２２の端部においてｐ＋型半導体領域２３よりはみ出して形成された領域があり、この領域から所定の距離を離間してｐ型ウェル２１の表層にフローティングディフュージョンＦＤとなるｎ＋型半導体領域２４が形成され、この領域から所定の距離を離間してｎ＋型半導体領域２５とさらにｎ＋型半導体領域２６が形成されている。
【００５２】
ここで、ｎ型半導体領域２２とｎ＋型半導体領域２４に係る領域において、ｐ型ウェル２１上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜を介してポリシリコンなどからなるゲート電極が形成され、ｎ型半導体領域２２とｎ＋型半導体領域２４をソース・ドレインとし、ｐ型ウェル２１の表層にチャネル形成領域を有する転送トランジスタＴ２が構成されている。
【００５３】
また、ｎ＋型半導体領域２４とｎ＋型半導体領域２５に係る領域において、ｐ型ウェル２１上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜を介してポリシリコンなどからなるゲート電極が形成され、ｎ＋型半導体領域２４とｎ＋型半導体領域２５をソース・ドレインとし、ｐ型ウェル２１の表層にチャネル形成領域を有する蓄積トランジスタＣａが構成されている。
【００５４】
さらにまた、ｎ＋型半導体領域２５とｎ＋型半導体領域２６に係る領域において、ｐ型ウェル２１上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜を介してポリシリコンなどからなるゲート電極が形成され、ｎ＋型半導体領域２５とｎ＋型半導体領域２６をソース・ドレインとし、ｐ型ウェル２１の表層にチャネル形成領域を有する蓄積トランジスタＣｂが構成されている。ここで第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧は転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低くしておく。
【００５５】
図３において、フォトダイオードＰＤ１の周囲に、転送トランジスタＴ２と、第１の蓄積容量ＣＳａ４、第２の蓄積容量ＣＳｂ５と、リセットトランジスタＲ６と、第１の蓄積トランジスタＣａ７と、第２の蓄積トランジスタＣｂ８と、増幅トランジスタＳＦ９と、選択トランジスタＸ１０が形成される領域が示されている。フローティングディフュージョンＦＤ３は不図示であるが転送トランジスタＴ２と第１の蓄積容量ＣＳａ４の近傍に設けられている。
【００５６】
図４に本実施形態の固体撮像装置のブロック図を示す。２次元に配置された画素アレイ（３０、３１、３２、３３）の周辺部に行シフトレジスタ３４、列シフトレジスタ３５、信号およびノイズホールド部３６、出力回路３７を設けている。ここでは簡単のため２画素×２画素の画素アレイを示しているが、画素の数はこれに限定されない。
【００５７】
各画素から点順次に読み出される信号は、雑音信号Ｎ１、およびＦＤで電荷電圧変換された飽和前の光信号＋雑音信号Ｓ１＋Ｎ１、雑音信号Ｎ２、ＦＤ＋ＣＳａで電荷電圧変換された飽和前と飽和後の加算された光信号＋雑音信号Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２、雑音信号Ｎ３、ＦＤ＋ＣＳａ＋ＣＳｂで電荷電圧変換された飽和前と飽和後の加算された光信号＋雑音信号Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｎ３となる。減算回路によりノイズ除去（Ｓ１＋Ｎ１）−Ｎ１、（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２）−Ｎ２、（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｎ３）−Ｎ３の動作を行い、ランダムノイズ成分および固定パターンノイズ成分の両方を除去する。後述するように蓄積開始直後ノイズ信号Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３のひとつないしは複数が読み出される場合に対応して、ノイズ信号をフレームメモリに一旦保存した後、減算回路によりノイズ除去を行う。このようにして、ノイズ除去された飽和前側信号Ｓ１および過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３を得られる。
【００５８】
減算回路、フレームメモリは、イメージセンサチップ上に形成しても、また別チップとして形成してもどちらでも構わない。
【００５９】
図１から図４で説明される本実施形態の固体撮像装置の動作方法について説明する。図５は本実施形態の固体撮像装置の主要な駆動タイミング図、図６は画素のフォトダイオードからフローティングディフュージョンＦＤ、第１の蓄積容量をへて第２の蓄積容量にいたる部分の概略ポテンシャル図である。
【００６０】
まず、露光蓄積前に、第１の蓄積トランジスタＣａおよび第１の蓄積トランジスタＣｂをオン、転送トランジスタＴ、リセットトランジスタＲをオフにセットする。次にリセットトランジスタＲ、転送トランジスタＴをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと第１の蓄積容量ＣＳａ、第２の蓄積容量ＣＳｂのリセットを行う（時刻ｔ0）。このとき、フォトダイオードＰＤは完全空乏化している。次にリセットトランジスタＲをオフした直後に取り込まれるＦＤ＋ＣＳａ＋ＣＳｂのリセットノイズをＮ３として読み出す（時刻ｔ1）。この際ノイズ信号Ｎ３には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。
【００６１】
次に、第２の蓄積トランジスタＣｂをオフすると、ＦＤ＋ＣＳａ＋ＣＳｂに蓄積されていた信号電荷はＦＤ＋ＣＳａとＣＳｂにその容量比に応じて分配される。このうちＦＤ＋ＣＳａに分配された信号をＮ２として読み出す（時刻ｔ2）。この際Ｎ２にも増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。蓄積期間中（時刻ｔ3）においては、第１の蓄積トランジスタＣａをオン、第２の蓄積トランジスタＣｂ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸをオフした状態で、フォトダイオードＰＤが飽和前の光電荷はフォトダイオードＰＤで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、転送トランジスタＴおよび第１の蓄積トランジスタＣａを介して、Ｎ２に重畳して、フローティングディフュージョンＦＤおよび第１の蓄積容量ＣＳａに蓄積する。さらに、強い光の照射がありフォトダイオードＰＤおよび第１の蓄積容量ＣＳａの飽和を超えた際の過剰光電荷は第２の蓄積トランジスタＣｂを介して第２の蓄積容量ＣＳｂにも蓄積する。第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧が転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低く設定されているので、フローティングディフュージョンＦＤおよび第１の蓄積容量ＣＳａが飽和した際にはフォトダイオードＰＤ側に過剰電荷が戻ることなく、第２の蓄積容量ＣＳｂに効率的に転送される。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードＰＤからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードＰＤで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。
【００６２】
蓄積終了後（時刻ｔ4）に選択トランジスタＸをオンした後、第１の蓄積トランジスタＣａをオフすると、ＦＤ＋ＣＳａに蓄積されていた信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤと蓄積容量ＣＳａにその容量比に応じて分配される。このうちフローティングディフュージョンＦＤに分配された信号をＮ１として読み出す。この際Ｎ１にも増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。次に転送トランジスタＴをオンしてフォトダイオードＰＤに蓄積された光信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤへ完全転送し信号Ｎ１に重畳してＳ１＋Ｎ１として信号を読み出す（時刻ｔ5）。次に第１の蓄積トランジスタＣａもオンして（時刻ｔ6）、ＦＤの電荷とＣＳａに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２として信号を読み出す。次に第２の蓄積トランジスタＣｂもオンして（時刻ｔ7）、ＦＤ＋ＣＳａの電荷とＣＳｂに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｎ３として信号を読み出す。
【００６３】
次にリセットトランジスタＲをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと第１の蓄積容量ＣＳａ、第２の蓄積容量ＣＳｂのリセットを行う（時刻ｔ8）。以上の動作を繰り返すことで本実施形態の固体撮像素子は動作する。
【００６４】
ダイナミックレンジの拡大率は、ＦＤの容量をＣFD、第１の蓄積容量ＣＳａの容量をＣCSa、第２の蓄積容量ＣＳｂの容量をＣCSbとすると、簡単には（ＣFD＋ＣCSa＋ＣCSb）／ＣFDと表せる。実際には、リセットトランジスタＲのクロックフィードスルーの影響はＦＤ、ＦＤ＋ＣＳａ、ＦＤ＋ＣＳａ＋ＣＳｂをリセットする順番で受けにくくなり、飽和前側信号Ｓ１の飽和電圧よりも過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２の飽和電圧が高くなり、さらに過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３の飽和信号のほうが高くなるので、ダイナミックレンジはこれ以上の比率で拡大する。高いフォトダイオード開口率を維持した上で画素サイズを拡大せずダイナミックレンジを効果的に拡大するためには、面積効率の良い大きな蓄積容量を形成できることが求められる。
【００６５】
広ダイナミックレンジ信号の合成は、ノイズ除去された飽和前側信号Ｓ１、第１の過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２、第２の過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３のいずれかの信号を選択することで実現する。図７はＳ１、Ｓ１＋Ｓ２、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３の信号選択の様子を表した概略的光電変換特性図である。Ｓ１、Ｓ１＋Ｓ２、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３の選択は、予め設定したＳ１と（Ｓ１＋Ｓ２）の切り替え基準電圧とＳ１の信号出力電圧を比較すること、および、（Ｓ１＋Ｓ２）と（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）の切り替え基準電圧と（Ｓ１＋Ｓ２）の信号出力電圧を比較することで、Ｓ１またはＳ１＋Ｓ２またはＳ１＋Ｓ２＋Ｓ３のいずれかの信号を選択することで実現する。
【００６６】
ここでＳ１と（Ｓ１＋Ｓ２）の切り替え基準電圧と、（Ｓ１＋Ｓ２）と（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）の切り替え基準電圧は同じ電圧でも構わない。図７ではＳ１と（Ｓ１＋Ｓ２）の切り替え基準電圧と、（Ｓ１＋Ｓ２）と（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）の切り替え基準電圧が同一のものとして表している。この切り替え基準電圧は、Ｓ１およびＳ１＋Ｓ２の飽和電圧ばらつきの影響を受けないようにＳ１飽和電圧およびＳ１＋Ｓ２飽和電圧よりも低くし、かつ切り替え点における過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２（図７中Ａ点）およびＳ１＋Ｓ２＋Ｓ３（図７中Ｂ点）とノイズ除去後に残留するノイズ信号（図７中Ｃ点）とのＳ／Ｎ比を高く維持するような電圧に設定すればよい。このＳ／Ｎ比は、固体撮像装置で得られる画像を人間の目で鑑賞するような用途に使用する場合には、輝度のばらつきが観測されないように、好ましくは４０ｄＢ以上、より好ましくは４３ｄＢ以上、さらに好ましくは４６ｄＢ以上になるように設定する。
【００６７】
ここで、第１の過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２はそのゲインに（ＣFD＋ＣCSa）／ＣFD比を乗じることで飽和前側信号Ｓ１のゲインに合せることができ、また、第２の過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３はそのゲインに（ＣFD＋ＣCSa＋ＣCSb）／ＣFD比を乗じることで飽和前側信号Ｓ１のゲインに合せることができる。このようにして低照度から高照度までリニアな信号で選択合成された広ダイナミックレンジ拡大された映像信号を得ることができる。
【００６８】
上述した動作からも明らかなように、本固体撮像装置では飽和前側と第１の過飽和側の信号電荷を混合して第１の過飽和側の信号Ｓ１＋Ｓ２としているので、Ｓ１＋Ｓ２には、最低でも飽和前側光信号Ｓ１の飽和に近い信号電荷が存在し、第１の過飽和側におけるリセットノイズ、暗電流などのノイズ成分に対する許容度が高くなる。同様に、第２の過飽和側の信号Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３には、最低でも第１の過飽和側の信号Ｓ１＋Ｓ２の飽和に近い信号電荷が存在し、第２の過飽和側におけるリセットノイズ、暗電流などのノイズ成分に対する許容度が高くなる。第１の過飽和側の信号Ｓ１＋Ｓ２および第２の過飽和側の信号Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３に対するノイズ許容度が高くなることを利用して、図５に示す次フィールドの信号Ｎ３’やＮ２’を利用して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｎ３とＮ３’の差分（（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｎ３）−Ｎ３’）やＳ１＋Ｓ２＋Ｎ２とＮ２’の差分（（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２）−Ｎ２’）を取り固定パターン雑音成分を除去することでも、飽和前側と過飽和側信号の選択切り替え点付近においても、十分なＳ／Ｎ比を確保することが可能となる。したがって必ずしもフレームメモリは必要ではない。
【００６９】
このように、フォトダイオードＰＤが飽和していない低照度撮像においてはノイズをキャンセルして得た飽和前電荷信号（Ｓ１）により高感度、高Ｓ／Ｎ比を維持することができ、さらにフォトダイオードＰＤが飽和した高照度撮像においては、フォトダイオードからあふれる光電荷を第１および第２の蓄積容量により蓄積してこれを取り入れ、上記同様にノイズをキャンセルして得た信号（Ｓ１＋Ｓ２）および（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）により、高Ｓ／Ｎ比を維持して、高照度側に十分に広いダイナミックレンジ拡大を実現できる。
【００７０】
本実施形態の固体撮像装置は、上記のように低照度側の感度を下げずに高照度側の感度を上げて広ダイナミックレンジ化を図るほか、電源電圧を通常用いられている範囲から上げないので将来のイメージセンサの微細化に対応することができる。素子の追加は極小に抑えられており、画素サイズの拡大を招くことはない。
【００７１】
さらに、従来の広ダイナミックレンジ化を実現するイメージセンサのように高照度側と低照度側で蓄積時間を分割しない、即ち、フレームをまたがずに同一の蓄積時間に蓄積しているので、動画の撮像においても画質を劣化させることがない。
【００７２】
また、フローティングディフュージョンＦＤのリーク電流についても、本実施形態のイメージセンサではＣFD＋ＣCSaの最小信号が過飽和電荷＋フォトダイオードＰＤからの飽和電荷となり、また、ＣFD＋ＣCSa＋ＣCSbの最小信号が過飽和電荷＋フォトダイオードＰＤからの飽和電荷＋フローティングディフュージョンＦＤと第１の蓄積容量ＣＳａの飽和電荷となってＦＤリークの電荷よりも大きな電荷量を取り扱うようになるので、ＦＤリークの影響を受け難いという利点がある。
【００７３】
上記の実施形態では、第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧を転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低くしているが、第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧を転送トランジスタＴの閾値電圧と同程度にし、蓄積期間中に第２の蓄積トランジスタＣｂのゲート電位を正にして、フローティングディフュージョンＦＤおよび第１の蓄積容量ＣＳａが飽和した際にフォトダイオードＰＤ側に過剰電荷が戻ることなく、第２の蓄積容量ＣＳｂに効率的に転送してもよい。
【００７４】
上記の実施形態は２つの蓄積容量を使用したものであるが、３つ以上の蓄積容量を使用しても同様に構成し動作させることができる。３つ以上の蓄積容量を使用する際にも、切り替え基準電圧を、飽和電圧ばらつきの影響を受けないように飽和電圧よりも低くし、かつ切り替え点における信号とノイズの比Ｓ／Ｎ比を高く維持するような電圧を設定してやればよい。３つ以上の蓄積容量を使用することで高Ｓ／Ｎ比を維持して、高照度側にさらに十分に広いダイナミックレンジ拡大を実現できる。また、複数の蓄積容量はすべて同じ容量値を有してもよいし、異なっていてもよい。好ましくは、フローティングディフュージョンＦＤから離れた位置にある蓄積容量ほど大きな容量値を有している方がよい。
【００７５】
第２実施形態
本実施形態は、第１の実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の他の動作方法にもとづく実施形態である。本実施形態の固体撮像装置の構成は図１から図４で説明される第１の実施形態の固体撮像装置と同様である。ただし第１の蓄積トランジスタＣａおよび第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧は転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低くしておく。
【００７６】
図８は本実施形態の固体撮像装置の主要な駆動タイミング図、図９は画素のフォトダイオードからフローティングディフュージョンＦＤ、第１の蓄積容量をへて第２の蓄積容量にいたる部分の概略ポテンシャル図である。
【００７７】
まず、露光蓄積前に、第１の蓄積トランジスタＣａおよび第２の蓄積トランジスタＣｂをオン、転送トランジスタＴ、リセットトランジスタＲをオフにセットする。次にリセットトランジスタＲ、転送トランジスタＴをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと第１の蓄積容量ＣＳａ、第２の蓄積容量ＣＳｂのリセットを行う（時刻ｔ0'）。このとき、フォトダイオードＰＤは完全空乏化している。
【００７８】
次にリセットトランジスタＲをオフした直後に取り込まれるＦＤ＋ＣＳａ＋ＣＳｂのリセットノイズをＮ３として読み出す（時刻ｔ1'）。この際ノイズ信号Ｎ３には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。次に、第２の蓄積トランジスタＣｂをオフすると、ＦＤ＋ＣＳａ＋ＣＳｂに蓄積されていた信号電荷はＦＤ＋ＣＳａとＣＳｂにその容量比に応じて分配される。このうちＦＤ＋ＣＳａに分配された信号をＮ２として読み出す（時刻ｔ2'）。この際Ｎ２にも増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。
【００７９】
次に、第１の蓄積トランジスタＣａをオフすると、ＦＤ＋ＣＳａに蓄積されていた信号電荷はＦＤとＣＳａにその容量比に応じて分配される。このうちＦＤに分配された信号をＮ１として読み出す（時刻ｔ3'）。この際Ｎ１にも増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。蓄積期間中（時刻ｔ4'）においては、第１の蓄積トランジスタＣａ、第２の蓄積トランジスタＣｂ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸをオフした状態で、フォトダイオードＰＤが飽和する前の光電荷はフォトダイオードＰＤで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、転送トランジスタＴを介してＮ１に重畳して、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積する。より強い光の照射があり、フォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤの飽和を超えた際の過剰電荷は第１の蓄積トランジスタＣａを介して、Ｎ２に重畳して、第１の蓄積容量ＣＳａに蓄積する。さらに、強い光の照射がありフォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤおよび第１の蓄積容量ＣＳａの飽和を超えた際の過剰光電荷は第２の蓄積トランジスタＣｂを介して第２の蓄積容量ＣＳｂにも蓄積する。第１の蓄積トランジスタＣａおよび第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧が転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低く設定されているので、フローティングディフュージョンＦＤが飽和した際にはＰＤ側に過剰電荷が戻ることなく第１の蓄積容量ＣＳａに効率的に転送され、フローティングディフュージョンＦＤおよび第１の蓄積容量ＣＳａが飽和した際にはフォトダイオードＰＤ側に過剰電荷が戻ることなく、第２の蓄積容量ＣＳｂに効率的に転送される。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードＰＤからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードＰＤで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。
【００８０】
蓄積終了後に、選択トランジスタＸ、転送トランジスタＴをオンしてフォトダイオードＰＤに蓄積された光信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤへ完全転送し信号Ｎ１に重畳してＳ１＋Ｎ１として信号を読み出す（時刻ｔ5'）。次に第１の蓄積トランジスタＣａもオンして（時刻ｔ6'）、ＦＤの電荷とＣＳａに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２として信号を読み出す。次に第２の蓄積トランジスタＣｂもオンして（時刻ｔ7'）、ＦＤ＋ＣＳａの電荷とＣＳｂに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｎ３として信号を読み出す。次にリセットトランジスタＲをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと第１の蓄積容量ＣＳａ、第２の蓄積容量ＣＳｂのリセットを行う（時刻ｔ8'）。以上の動作を繰り返すことで本実施形態の固体撮像素子は動作する。
【００８１】
上記の実施形態では、第１の蓄積トランジスタＣａおよび第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧を転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低くしているが、第１の蓄積トランジスタＣａおよび第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧を転送トランジスタＴの閾値電圧と同程度にし、蓄積期間中に第１の蓄積トランジスタＣａおよび第２の蓄積トランジスタＣｂのゲート電位を正にして、フローティングディフュージョンＦＤおよび第１の蓄積容量ＣＳａが飽和した際にフォトダイオードＰＤ側に過剰電荷が戻ることなく、第２の蓄積容量ＣＳｂに効率的に転送してもよい。
【００８２】
本実施形態においても、第１実施形態に示したものと同様な効果が得られ、高Ｓ／Ｎ比を維持して、高照度側に十分に広いダイナミックレンジ拡大を実現できる。
【００８３】
第３実施形態
本実施例に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図を図１０に、概略断面図を図１１に示す。概略平面図は第１実施形態の図３と同様である。
【００８４】
各画素は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードＰＤ１と、フォトダイオードＰＤ１に隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタＴ２と、転送トランジスタＴ２を介してフォトダイオードＰＤ１に接続して設けられたフローティングディフュージョンＦＤ３と、露光蓄積動作時に前記フォトダイオードＰＤ１からあふれる光電荷を転送トランジスタＴ２を通じて蓄積する第１の蓄積容量ＣＳａ４および第２の蓄積容量ＣＳｂ５と、フローティングディフュージョンＦＤ３に接続して形成され、フローティングディフュージョンＦＤ３、第１の蓄積容量ＣＳａ４および第２の蓄積容量ＣＳｂ５内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタＲ６と、フローティングディフュージョンＦＤ３と第１の蓄積容量ＣＳａ４の間に設けられた第１の蓄積トランジスタＣａ７と、第１の蓄積容量ＣＳａ４と第２の蓄積容量ＣＳｂ５の間に設けられた第２の蓄積トランジスタＣｂ８と、フローティングディフュージョンＦＤ３の信号電荷またはフローティングディフュージョンＦＤ３と第１の蓄積容量ＣＳａ４の信号電荷またはフローティングディフュージョンＦＤ３と第１の蓄積容量ＣＳａ４と第２の蓄積容量ＣＳｂ５の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタＳＦ９と、増幅トランジスタに接続して設けられ前記画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタＸ１０とから構成されている。
【００８５】
本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素において、転送トランジスタＴ２、第１の蓄積トランジスタＣａ７、第２の蓄積トランジスタＣｂ８、リセットトランジスタＲ６のゲート電極に、φT１１、φCa１２、φCb１３、φR１４の各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタＸ１０のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφX１５が接続され、さらに、選択トランジスタＸ１０の出力側ソースに出力ラインＯＵＴ１６が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。
【００８６】
図１１において、リセットトランジスタＲ６が第１の蓄積容量ＣＳａ４の替わりにフローティングディフュージョンとなるｎ＋半導体領域に接続されていることの他は第１実施形態の図２と同様である。また、第１実施形態と同様に第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧が転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低く設定されている。また、本実施形態の固体撮像装置のブロック図も第１実施形態の図４と同様である。
【００８７】
図１０から図１１で説明される本実施形態の固体撮像装置の動作方法について説明する。図１２は本実施形態の固体撮像装置の主要な駆動タイミング図、図１３は画素のフォトダイオードからフローティングディフュージョンＦＤ、第１の蓄積容量をへて第２の蓄積容量にいたる部分の概略ポテンシャル図である。
【００８８】
まず、露光蓄積前に、第１の蓄積トランジスタＣａおよび第２の蓄積トランジスタＣｂをオン、転送トランジスタＴ、リセットトランジスタＲをオフにセットする。次にリセットトランジスタＲ、転送トランジスタＴをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと第１の蓄積容量ＣＳａ、第２の蓄積容量ＣＳｂのリセットを行う（時刻ｔ0''）。このとき、フォトダイオードＰＤは完全空乏化している。次にリセットトランジスタＲをオフした直後に取り込まれるＦＤ＋ＣＳａ＋ＣＳｂのリセットノイズをＮ３として読み出す（時刻ｔ1''）。この際ノイズ信号Ｎ３には増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。
【００８９】
次に、第２の蓄積トランジスタＣｂをオフすると、ＦＤ＋ＣＳａ＋ＣＳｂに蓄積されていた信号電荷はＦＤ＋ＣＳａとＣＳｂにその容量比に応じて分配される。このうちＦＤ＋ＣＳａに分配された信号をＮ２として読み出す（時刻ｔ2''）。この際Ｎ２にも増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。蓄積期間中（時刻ｔ3''）においては、第１の蓄積トランジスタＣａをオン、第２の蓄積トランジスタＣｂ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸをオフした状態で、フォトダイオードＰＤが飽和する前の光電荷はフォトダイオードＰＤで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、転送トランジスタＴおよび第１の蓄積トランジスタＣａを介して、Ｎ２に重畳して、フローティングディフュージョンＦＤおよび第１の蓄積容量ＣＳａに蓄積する。さらに、強い光の照射がありフォトダイオードＰＤおよび第１の蓄積容量ＣＳａの飽和を超えた際の過剰光電荷は第２の蓄積トランジスタＣｂを介して第２の蓄積容量ＣＳｂにも蓄積する。第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧が転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低く設定されているので、フローティングディフュージョンＦＤおよび第１の蓄積容量ＣＳａが飽和した際にはフォトダイオードＰＤ側に過剰電荷が戻ることなく、第２の蓄積容量ＣＳｂに効率的に転送される。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードＰＤからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードＰＤで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。
【００９０】
蓄積終了後（時刻ｔ4''）に選択トランジスタＸをオンした後、リセットトランジスタＲをオンし（時刻ｔ5''）、ＦＤをリセットした後、リセットトランジスタＲをオフしてからＦＤに存在する信号をＮ１として読み出す（時刻ｔ6''）。この際Ｎ１にも増幅トランジスタＳＦの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。次に、転送トランジスタＴをオンしてフォトダイオードＰＤに蓄積された光信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤへ完全転送し信号Ｎ１に重畳して（時刻ｔ7''）、Ｓ１＋Ｎ１として信号を読み出す。
【００９１】
次に第１の蓄積トランジスタＣａもオンして（時刻ｔ8''）、ＦＤの電荷とＣＳａに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２として信号を読み出す。次に第２の蓄積トランジスタＣｂもオンして（時刻ｔ9''）、ＦＤ＋ＣＳａの電荷とＣＳｂに蓄積された電荷を混合して、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｎ３として信号を読み出す。次にリセットトランジスタＲをオンしてフローティングディフュージョンＦＤと第１の蓄積容量ＣＳａ、第２の蓄積容量ＣＳｂのリセットを行う（時刻ｔ10''）。以上の動作を繰り返すことで本実施形態の固体撮像素子は動作する。ダイナミックレンジの拡大率、広ダイナミックレンジ信号の合成方法などは、第１の実施形態と同様である。
【００９２】
本実施形態においても、第１実施形態に示したものと同様な効果が得られ、高Ｓ／Ｎ比を維持して、高照度側に十分に広いダイナミックレンジ拡大を実現できる。
【００９３】
第４実施形態
本実施例に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図を図１４に、概略断面図を図１５−１，図１５−２に、概略平面図を図１６に示す。
【００９４】
各画素は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードＰＤ１と、フォトダイオードＰＤ１に隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタＴ２と、転送トランジスタＴ２を介してフォトダイオードＰＤ１に接続して設けられたフローティングディフュージョンＦＤ３と、フォトダイオードＰＤ１と第１の蓄積容量ＣＳａ４の間に設けられたオーバーフローゲートＬＯ１７と、露光蓄積動作時に前記フォトダイオードＰＤ１からあふれる光電荷をオーバーフローゲートＬＯ１７を通じて蓄積する第１の蓄積容量ＣＳａ４および第２の蓄積容量ＣＳｂ５と、フローティングディフュージョンＦＤ３に接続して形成され、フローティングディフュージョンＦＤ３、第１の蓄積容量ＣＳａ４および第２の蓄積容量ＣＳｂ５内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタＲ６と、フローティングディフュージョンＦＤ３と第１の蓄積容量ＣＳａ４の間に設けられた第１の蓄積トランジスタＣａ７と、第１の蓄積容量ＣＳａ４と第２の蓄積容量ＣＳｂ５の間に設けられた第２の蓄積トランジスタＣｂ８と、フローティングディフュージョンＦＤ３の信号電荷またはフローティングディフュージョンＦＤ３と第１の蓄積容量ＣＳａ４の信号電荷またはフローティングディフュージョンＦＤ３と第１の蓄積容量ＣＳａ４と第２の蓄積容量ＣＳｂ５の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタＳＦ９と、増幅トランジスタに接続して設けられ前記画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタＸ１０とから構成されている。
【００９５】
図１５−１および図１５−２において、ｎ型半導体領域２２とｎ＋型半導体領域２５に係る領域において、ｐ型ウェル２１上面にｐ＋半導体領域１８が形成され、ｎ型半導体領域２２とｎ＋型半導体領域２５をソース・ドレインとし、ｐ＋型半導体領域１８をゲートとする接合トランジスタ型のオーバーフローゲートＬＯが構成されている。他の構造は前記第３実施形態と同様である。ｐ＋半導体領域１８はｐ＋型半導体領域２３およびｐ型ウェル領域２１に電気的に接続されている。
【００９６】
本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素において、転送トランジスタＴ２、第１の蓄積トランジスタＣａ７、第２の蓄積トランジスタＣｂ８、リセットトランジスタＲ６のゲート電極に、φT１１、φCa１２、φCb１３、φR１４の各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタＸ１０のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφX１５が接続され、さらに、選択トランジスタＸ１０の出力側ソースに出力ラインＯＵＴ１６が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。
【００９７】
本実施形態において、第１実施形態と同様に第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧が転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低く設定されていると同時に、オーバーフローゲートＬＯの閾値電圧が転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低く設定されている。また、本実施形態の固体撮像装置のブロック図も第１実施形態の図４と同様である。
【００９８】
図１４から図１６で説明される本実施形態の固体撮像装置の動作方法は第３の実施形態の図１２と同様であるが、蓄積期間中（時刻ｔ3''）においては、第１の蓄積トランジスタＣａをオフ、第２の蓄積トランジスタＣｂ、リセットトランジスタＲ、選択トランジスタＸをオフした状態で、フォトダイオードＰＤが飽和前の光電荷はフォトダイオードＰＤで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、オーバーフローゲートＬＯを介して、第１の蓄積容量ＣＳａに蓄積する。さらに、強い光の照射がありフォトダイオードＰＤおよび第１の蓄積容量ＣＳａの飽和を超えた際の過剰光電荷は第２の蓄積トランジスタＣｂを介して第２の蓄積容量ＣＳｂにも蓄積する。オーバーフローゲートＬＯおよび第２の蓄積トランジスタＣｂの閾値電圧が転送トランジスタＴの閾値電圧よりも低く設定されているので、第１の蓄積容量ＣＳａが飽和した際にはフォトダイオードＰＤ側に過剰電荷が戻ることなく、第２の蓄積容量ＣＳｂに効率的に転送される。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードＰＤからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードＰＤで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。ダイナミックレンジの拡大率、広ダイナミックレンジ信号の合成方法などは、第１の実施形態と同様である。
【００９９】
本実施形態においても、第１実施形態に示したものと同様な効果が得られ、高Ｓ／Ｎ比を維持して、高照度側に十分に広いダイナミックレンジ拡大を実現できる。
【０１００】
第５実施形態
本実施形態は、第１から第４の実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の他のブロック図と動作方法にもとづく実施形態である。本実施形態の固体撮像装置の画素の構成は第１から第４の実施形態で説明される固体撮像装置と同様である。
【０１０１】
図１７に本実施形態の固体撮像装置のブロック図を示す。２次元に配置された画素アレイ（３０、３１、３２、３３）の周辺部に行シフトレジスタ３４、列シフトレジスタ３５、垂直信号線３８、３８‘、水平信号線３９、出力回路３７を設けている。ここでは簡単のため２画素×２画素の画素アレイを示しているが、画素の数はこれに限定されない。
【０１０２】
各画素から点順次に読み出される信号は、雑音信号Ｎ１、およびＦＤで電荷電圧変換された飽和前の光信号＋雑音信号Ｓ１＋Ｎ１、雑音信号Ｎ２、ＦＤ＋ＣＳａで電荷電圧変換された飽和前と飽和後の加算された光信号＋雑音信号Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２、雑音信号Ｎ３、ＦＤ＋ＣＳａ＋ＣＳｂで電荷電圧変換された飽和前と飽和後の加算された光信号＋雑音信号Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｎ３となる。これらの出力信号は、行シフトレジスタ３４および列シフトレジスタ３５により、各画素から垂直信号線３８、３８‘、水平信号線３９および出力回路３９を点順次に選択されて読み出される。減算回路によりノイズ除去（Ｓ１＋Ｎ１）−Ｎ１、（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｎ２）−Ｎ２、（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｎ３）−Ｎ３の動作を行い、ランダムノイズ成分および固定パターンノイズ成分の両方を除去する。後述するように蓄積開始直後ノイズ信号Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３のひとつないしは複数が読み出される場合に対応して、ノイズ信号をフレームメモリに一旦保存した後、減算回路によりノイズ除去を行う。このようにして、ノイズ除去された飽和前側信号Ｓ１および過飽和側信号Ｓ１＋Ｓ２、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３を得られる。減算回路、フレームメモリは、イメージセンサチップ上に形成しても、また別チップとして形成してもどちらでも構わない。本実施形態の固体撮像素子は読み出し回路系が簡単になる。
【０１０３】
（実施例１）
本発明の固体撮像装置において、画素サイズ２０ｕｍ角、フローティングディフュージョン容量ＣFD＝３．４ｆＦ、第１の蓄積容量ＣＳａ＝７３ｆＦ、第２の蓄積容量ＣＳｂ＝３７００ｆＦをもつ固体撮像素子を作成し、その光電変換特性とダイナミックレンジ特性を求めた。各蓄積容量はＭＯＳ容量とポリシリコン−ポリシリコン容量の並列容量で構成した。
【０１０４】
図１８は本実施例の光電変換特性である。信号Ｓ１、Ｓ１＋Ｓ２、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３の飽和信号電圧はそれぞれ５００ｍＶ、１０００ｍＶ、１２００ｍＶである。またノイズ除去後にＳ１、Ｓ１＋Ｓ２、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３に残留する残留ノイズ電圧はみな等しく０．０９ｍＶである。
【０１０５】
Ｓ１からＳ１＋Ｓ２への切り替え電圧、Ｓ１＋Ｓ２からＳ１＋Ｓ２＋Ｓ３への切り替え電圧はそれぞれの飽和電圧よりも低く設定し４００ｍＶ、９００ｍＶとした。
【０１０６】
各切り替え点でのＳ１＋Ｓ２信号、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３信号と残留ノイズとのＳ／Ｎ比はどちらも４６ｄＢが得られており、高画質な性能を持つ固体撮像素子が実現できている。また、Ｓ１、Ｓ１＋Ｓ２、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３のダイナミックレンジはそれぞれ、７５ｄＢ、１０８ｄＢ、１４３ｄＢを実現できている。
【０１０７】
本実施例において、高Ｓ／Ｎ比を維持して、高照度側に十分に広いダイナミックレンジ拡大を実現できている。
【０１０８】
（実施例２）
本発明の固体撮像装置において、トレンチ型蓄積容量素子を適用して、画素サイズ１０ｕｍ角、フローティングディフュージョン容量ＣFD＝３．４ｆＦ、第１の蓄積容量ＣＳａ＝１４８ｆＦ、第２の蓄積容量ＣＳｂ＝１５ｐＦをもつ固体撮像素子を作成し、その光電変換特性とダイナミックレンジ特性を求めた。
【０１０９】
信号Ｓ１、Ｓ１＋Ｓ２、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３の飽和信号電圧はそれぞれ５００ｍＶ、１０００ｍＶ、１２００ｍＶである。またノイズ除去後にＳ１、Ｓ１＋Ｓ２、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３に残留する残留ノイズ電圧はみな等しく０．０９ｍＶである。また、Ｓ１からＳ１＋Ｓ２への切り替え電圧、Ｓ１＋Ｓ２からＳ１＋Ｓ２＋Ｓ３への切り替え電圧はそれぞれの飽和電圧よりも低く設定し４００ｍＶ、９００ｍＶとした。
【０１１０】
各切り替え点でのＳ１＋Ｓ２信号、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３信号と残留ノイズとのＳ／Ｎ比はどちらも４０ｄＢが得られており、高画質な性能を持つ固体撮像素子が実現できている。また、Ｓ１、Ｓ１＋Ｓ２、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３のダイナミックレンジはそれぞれ、７５ｄＢ、１１４ｄＢ、１７５ｄＢを実現できている。
【０１１１】
本実施例において、高Ｓ／Ｎ比を維持して、高照度側に十分に広いダイナミックレンジ拡大を実現できている。
【０１１２】
本発明は上記の説明に限定されない。例えば、実施形態においては、固体撮像装置について説明しているが、これに限らず、各固体撮像装置の画素を直線状に配したラインセンサや、各固体撮像装置の画素をそのまま単独で構成することで得られる光センサについても、従来には得られなかった広ダイナミックレンジ化と高感度、高Ｓ／Ｎ比を達成することができる。
【０１１３】
また、蓄積容量の形状などは特に限定はなく、ＭＯＳ容量、ポリシリコン−ポリシリコン間容量、ＤＲＡＭのメモリ蓄積容量などで容量を高めるためにこれまでに開発されたトレンチ容量やスタック容量など種々の方法を採用することができる。固体撮像装置としては、ＣＭＯＳイメージセンサの他、ＣＣＤにも適用することができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明の固体撮像装置は、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話、監視カメラ、車載カメラなどの広いダイナミックレンジが望まれているイメージセンサに適応できる。
【０１１５】
本発明の固体撮像装置の動作方法は広いダイナミックレンジが望まれているイメージセンサの動作方法に適応できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の概略断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の一画素の概略平面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のブロック図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の主要な駆動タイミング図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の概略ポテンシャル図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の光電変換特性の概略図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミング図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の概略ポテンシャル図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の概略断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミング図である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の概略ポテンシャル図である。
【図１４】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。
【図１５−１】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の概略断面図である。
【図１５−２】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の他の概略断面図である。
【図１６】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の一画素の概略平面図である。
【図１７】本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置のブロック図である。
【図１８】本発明の実施例１に係る固体撮像装置の光電変換特性を示す図である。
【図１９】本発明の特許文献１に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。
【図２０】本発明の特許文献２に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。
【図２１】本発明の特許文献３に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。
【図２２】本発明の特許文献４に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。
【図２３】本発明の非特許文献３に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１  フォトダイオード
２  転送トランジスタ
３  フローティングディフュージョン
４  第１蓄積容量
５  第２蓄積容量
６  リセットトランジスタ
７  第１蓄積トランジスタ
８  第２蓄積トランジスタ
９  増幅トランジスタ
１０  選択トランジスタ
１１  転送トランジスタの駆動ライン
１２  第１蓄積トランジスタの駆動ライン
１３  第２蓄積トランジスタの駆動ライン
１４  リセットトランジスタの駆動ライン
１５  選択トランジスタの駆動ライン
１６  画素出力ライン
１７  オーバーフローゲート
１８  ｐ＋型半導体領域
２０  ｎ型シリコン半導体基板
２１  ｐ型ウェル
２２  ｎ型半導体領域
２３  ｐ＋型半導体領域
２４，２５，２６  ｎ＋型半導体領域
３０，３１，３２，３３  画素アレイ
３４  行シフトレジスタ
３５  列シフトレジスタ
３６  信号およびノイズホールド回路
３７  出力回路
３８，３８’  垂直信号線
３９  水平信号線
Ｃａ  第１蓄積トランジスタ
Ｃｂ  第２蓄積トランジスタ
ＦＤ  フローティングディフュージョン
ＨＳＲ  列シフトレジスタ
ＬＯ  オーバーフローゲート
ＬＴ  光
ＰＤ  フォトダイオード
Ｒ  リセットトランジスタ
ＶＳＲ  行シフトレジスタ
Ｘ  選択トランジスタ
【図１】
2006245522.tif 000003
【図２】
2006245522.tif 000004
【図３】
2006245522.tif 000005
【図４】
2006245522.tif 000006
【図５】
2006245522.tif 000007
【図６】
2006245522.tif 000008
【図７】
2006245522.tif 000009
【図８】
2006245522.tif 000010
【図９】
2006245522.tif 000011
【図１０】
2006245522.tif 000012
【図１１】
2006245522.tif 000013
【図１２】
2006245522.tif 000014
【図１３】
2006245522.tif 000015
【図１４】
2006245522.tif 000016
【図１５−１】
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【図１５−２】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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